STEM視域下縣域高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)的路徑探索與實踐研究

一、縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)的理論基礎(chǔ)

(一)STEM教育理念

STEM教育理念以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technolo-gy）、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四大學(xué)科的有機整合為核心，注重借助真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運用多學(xué)科知識開展探究與實踐活動。其核心要義在于打破傳統(tǒng)學(xué)科之間的壁壘，以項目式學(xué)習(xí)為依托，著力培養(yǎng)學(xué)生在解決復(fù)雜問題過程中的創(chuàng)新思維、技術(shù)應(yīng)用能力以及團隊協(xié)作素養(yǎng)。這一理念為縣域高中開展跨學(xué)科融合教學(xué)提供了方法論層面的支持，尤其適用于教育資源相對有限，但迫切需要提升學(xué)生實踐能力的教育場景。

(二）跨學(xué)科融合教學(xué)的概念及內(nèi)涵

跨學(xué)科融合教學(xué)的內(nèi)涵涵蓋知識整合性、問題導(dǎo)向性、多元方法論和動態(tài)生成性四大核心要素。知識整合性強調(diào)突破學(xué)科界限，例如在解決環(huán)境問題時，需要綜合運用地理、物理、化學(xué)等多學(xué)科知識進行分析；問題導(dǎo)向性以現(xiàn)實中的復(fù)雜問題為切入點，如在鄉(xiāng)村振興進程中，實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟的平衡發(fā)展，需要整合地理、經(jīng)濟、生物等學(xué)科知識；多元方法論融合了實驗探究、數(shù)據(jù)分析、社會調(diào)查等多種方法，例如在地理學(xué)科與信息技術(shù)相結(jié)合的空間分析實踐中得以體現(xiàn)；動態(tài)生成性則要求教學(xué)內(nèi)容和目標能夠根據(jù)問題情境的變化進行動態(tài)調(diào)整，例如基于項目學(xué)習(xí)(PBL)的跨學(xué)科課程設(shè)計。

(三)縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)的意義

其一，促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。通過布置多學(xué)科交叉的實踐任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并借助復(fù)雜問題的解決，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性分析能力。其二，優(yōu)化教育資源利用。通過學(xué)科資源之間的互補，緩解縣域高中師資或設(shè)備不足的問題。例如，物理教師與信息技術(shù)教師聯(lián)合開發(fā)實驗課程，同時結(jié)合縣域特色設(shè)計本土化教學(xué)項目，提高課程與地方發(fā)展的契合度。其三，推動教育公平與質(zhì)量提升。跨學(xué)科融合教學(xué)能夠彌補傳統(tǒng)分科教學(xué)的局限性，縮小城鄉(xiāng)教育差距，并促進教師專業(yè)成長。例如，地理教師學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化工具，以更好地支持環(huán)境分析教學(xué)。這一教學(xué)模式既是教育改革的必然趨勢，也是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興與人才振興的關(guān)鍵路徑。

二、縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)現(xiàn)狀分析

(一)縣域高中教學(xué)現(xiàn)狀

當前，縣域高中面臨著多重結(jié)構(gòu)性矛盾。在生源與師資方面，優(yōu)質(zhì)生源外流與教師隊伍穩(wěn)定性不足形成惡性循環(huán)。部分教師由于待遇偏低、職業(yè)發(fā)展受限等原因而流失，這進一步削弱了教學(xué)質(zhì)量。在課程建設(shè)方面，盡管少數(shù)學(xué)校嘗試開發(fā)具有地方特色的校本課程，但整體課程體系仍以傳統(tǒng)學(xué)科為主，跨學(xué)科課程體系呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)。而且，受限于硬件設(shè)施與資源整合能力，縣域高中在課程建設(shè)上難以形成系統(tǒng)性突破。此外，普通高中與中職教育發(fā)展存在失衡現(xiàn)象。縣域?qū)W生因升學(xué)壓力較大以及中職教育吸引力不足，普遍陷入單一應(yīng)試路徑，其多元發(fā)展需求未能得到有效滿足。

（二）跨學(xué)科融合教學(xué)中存在的問題

其一，教師跨學(xué)科素養(yǎng)不足。學(xué)科知識壁壘以及專業(yè)培訓(xùn)的缺失，導(dǎo)致教學(xué)設(shè)計碎片化。同時，激勵機制的缺位進一步抑制了教師開展跨學(xué)科融合教學(xué)的積極性。其二，課程整合缺乏科學(xué)規(guī)劃。部分學(xué)校依賴臨時性主題拼湊課程內(nèi)容，資源開發(fā)未能與本地社會力量形成聯(lián)動，難以支撐深度學(xué)科融合。其三，評價體系與跨學(xué)科教學(xué)目標脫節(jié)。現(xiàn)有的考核方式偏重于單科知識的記憶，忽視了對學(xué)生綜合思維與實踐創(chuàng)新能力的評估，導(dǎo)致教學(xué)導(dǎo)向出現(xiàn)偏離。其四，縣域內(nèi)校際資源分配不均。農(nóng)村高中受限于硬件設(shè)施落后與師資短缺，跨學(xué)科實踐難以落地實施，政策執(zhí)行的差異加劇了區(qū)域間的發(fā)展鴻溝。這些問題共同制約了跨學(xué)科融合教學(xué)從政策愿景向?qū)嵺`成效的轉(zhuǎn)化。

三、STEM視域下縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)的路徑探索

(一）構(gòu)建跨學(xué)科融合課程體系

在STEM視域下構(gòu)建縣域高中跨學(xué)科融合課程體系，應(yīng)以學(xué)科大概念為核心框架，借助真實問題情境推動知識整合。具體策略如下：首先，圍繞能源、環(huán)境等社會議題提煉跨學(xué)科知識模塊，構(gòu)建主題式課程框架。例如，以“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化\"為主題，整合物理熱力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及工程技術(shù)原理，形成模塊化的教學(xué)內(nèi)容。其次，課程設(shè)計要依托真實情境。再次，實施路徑宜采用項目式學(xué)習(xí)。以“設(shè)計低碳校園能源方案\"為例，學(xué)生需要綜合考量化學(xué)儲能材料特性、物理能量守恒定律及工程成本核算，通過團隊協(xié)作完成可行性報告與實物模型制作，在此過程中培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)設(shè)計能力。

以蘇教版高中化學(xué)必修2“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”單元為例，教師可創(chuàng)設(shè)“區(qū)域光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化\"項目。首先，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角分析鋰離子電池的充放電反應(yīng)(如 LiC₀O₂ 的氧化還原過程)，結(jié)合物理學(xué)科知識計算電池內(nèi)阻對能量損耗的影響，再引入數(shù)學(xué)函數(shù)建模不同光照條件下儲能效率的變化曲線。在工程實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生需設(shè)計儲能裝置原型，利用Arduino傳感器監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，并通過Python編程實現(xiàn)充放電過程的動態(tài)可視化。這種多維度的知識整合，使學(xué)生在解決“如何提升儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命”這一問題時，能夠自然貫通電化學(xué)原理、歐姆定律、導(dǎo)數(shù)極值求解及3D打印技術(shù)，最終形成包含材料改進方案、數(shù)學(xué)模型優(yōu)化和工程成本控制的綜合性報告。該案例充分體現(xiàn)了STEM教育中學(xué)科邊界消融、知識工具化的特征，學(xué)生通過真實產(chǎn)品的迭代開發(fā)，實現(xiàn)了從知識消費者向創(chuàng)新設(shè)計者的角色轉(zhuǎn)變。

（二）創(chuàng)設(shè)跨學(xué)科融合教學(xué)環(huán)境

在STEM視域下創(chuàng)設(shè)縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)環(huán)境，需以真實問題為紐帶重構(gòu)學(xué)習(xí)場景，從資源整合、課程重構(gòu)、協(xié)作機制三個方面構(gòu)建支撐體系。理論層面，提出以下建議：一是建立學(xué)科知識圖譜，挖掘化學(xué)與物理、生物、地理等學(xué)科的核心交匯點，構(gòu)建本地化資源庫。二是打造開放式實驗室，引入工程實踐工具（如3D打印、傳感器)和數(shù)字化平臺，支持多模態(tài)學(xué)習(xí)。三是推行教師協(xié)作共同體制度，通過集體備課打破學(xué)科壁壘。四是開發(fā)梯度式評價指標，關(guān)注學(xué)生工程思維、數(shù)學(xué)建模等跨學(xué)科能力的發(fā)展。

以蘇教版高中化學(xué)“原電池原理\"單元教學(xué)為例，教師設(shè)計“設(shè)計環(huán)保型水果電池\"項目，創(chuàng)設(shè)跨學(xué)科融合場景。在化學(xué)層面，學(xué)生需要分析檸檬酸電解質(zhì)溶液的離子遷移規(guī)律，推導(dǎo)電極反應(yīng)式 ：在物理層面，學(xué)生需運用電路知識測試電流強度，探究電極材料（銅片/鋅片）電極間距與輸出電壓的定量關(guān)系，建立 U=IR 數(shù)學(xué)模型；在工程層面，學(xué)生則要設(shè)計電池組串聯(lián)方案，用開源硬件搭建LED燈驅(qū)動裝置，并運用成本核算思維選擇經(jīng)濟性材料。在此過程中，教師可引入本地水果種植產(chǎn)業(yè)案例，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用廢棄果品發(fā)電，將技術(shù)倫理融入教學(xué)。實驗室提供萬用表、Arduino主板等工具，支持學(xué)生完成從化學(xué)反應(yīng)分析 物理參數(shù)測量 $$ 工程產(chǎn)品迭代的全流程。最終的評價不僅考核學(xué)生對化學(xué)原理的掌握程度，更關(guān)注團隊在方案可行性論證、數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)(信息技術(shù)整合)及環(huán)保價值闡述（人文融合)等維度的表現(xiàn)，實現(xiàn)知識應(yīng)用與核心素養(yǎng)的立體化培養(yǎng)。

(三)開發(fā)跨學(xué)科融合教學(xué)資源

STEM視域下縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)資源的開發(fā)需立足學(xué)科核心素養(yǎng)，通過系統(tǒng)性整合、情境化重構(gòu)和技術(shù)賦能實現(xiàn)資源創(chuàng)新。具體策略包括：(1)多學(xué)科知識圖譜構(gòu)建，打破學(xué)科壁壘，提煉化學(xué)、物理、工程等領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性概念，形成主題式資源包；(2)真實問題情境設(shè)計，結(jié)合縣域產(chǎn)業(yè)特色(如化工、環(huán)保)創(chuàng)設(shè)項目任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生運用跨學(xué)科知識解決實際問題；(3)數(shù)字化資源開發(fā)，利用虛擬仿真、數(shù)據(jù)建模等技術(shù)將抽象概念可視化，如通過分子動力學(xué)模擬軟件呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)機理；(4)動態(tài)評價體系嵌入，設(shè)計包含科學(xué)探究、工程設(shè)計等維度的量規(guī)，實現(xiàn)過程性評價與資源使用的閉環(huán)反饋。

以“合成氨工業(yè)中化學(xué)平衡調(diào)控\"為例，教師可設(shè)計“縣域化肥廠能效優(yōu)化\"跨學(xué)科項目。首先，學(xué)科知識整合：化學(xué)學(xué)科聚焦勒夏特列原理，數(shù)學(xué)學(xué)科引人平衡常數(shù)計算與數(shù)據(jù)建模，工程學(xué)科分析合成塔結(jié)構(gòu)對反應(yīng)條件的控制邏輯，環(huán)境學(xué)科探討能耗與碳排放的關(guān)系。例如通過Matlab構(gòu)建“溫度-轉(zhuǎn)化率-能耗\"三維模型，直觀展示條件優(yōu)化的邊界效應(yīng)。或者，情境化任務(wù)鏈設(shè)計。設(shè)置“氨產(chǎn)量提升 20% 且能耗降低 15% ”的工程目標，要求學(xué)生：(1)利用傳感器采集實驗室模擬反應(yīng)數(shù)據(jù)；(2)通過回歸分析確定最優(yōu)溫度區(qū)間；(3）設(shè)計多級換熱裝置草圖；(4)撰寫低碳生產(chǎn)建議書。此過程整合了教材中的催化劑作用機制、熱力學(xué)計算等內(nèi)容。同時，教師要利用技術(shù)工具賦能。開發(fā)AR虛擬工廠系統(tǒng)，學(xué)生可通過手勢操作調(diào)整反應(yīng)器參數(shù)，實時觀察物料流動與能量變化，同時接入縣域化肥廠的真實生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于對比分析。例如在壓強調(diào)控實驗中，系統(tǒng)自動生成“壓強-成本收益曲線”，強化工程經(jīng)濟思維。教師還可以采用“科學(xué)嚴謹性(平衡計算準確性）—技術(shù)創(chuàng)新性（節(jié)能方案可行性)一社會價值性（環(huán)境效益分析深度)”三維評價表，要求小組用TED演講形式展示方案，突出STEM素養(yǎng)的綜合性。該模式使教材中的理論知識點轉(zhuǎn)化為解決縣域發(fā)展實際問題的知識工具鏈。

（四）建立跨學(xué)科融合教學(xué)評價體系

STEM視域下縣域高中跨學(xué)科融合教學(xué)評價體系的建立需以能力導(dǎo)向、動態(tài)反饋、多維度融合為核心原則，具體策略包括：(1)構(gòu)建多維度評價指標，整合科學(xué)探究能力、工程實踐能力、數(shù)學(xué)建模能力及社會責(zé)任感；(2)注重過程與結(jié)果并重，通過檔案袋記錄、階段性答辯等方式追蹤學(xué)生從問題定義到成果迭代的全過程；(3)引入多元評價主體，聯(lián)合學(xué)科教師、企業(yè)工程師、社區(qū)代表等共同制定量規(guī)，確保評價與縣域?qū)嶋H需求接軌；(4)開發(fā)數(shù)字化動態(tài)評價工具，利用傳感器、仿真軟件實時采集實驗數(shù)據(jù)，生成可視化評價報告，例如通過Arduino監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)參數(shù)并自動生成優(yōu)化建議。

例如，在蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材的“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護\"中，教師可以“縣域橋梁金屬防腐方案設(shè)計\"為例，可構(gòu)建“科學(xué)—工程—社會—反饋\"四維評價體系。(1)科學(xué)原理評價維度：要求學(xué)生結(jié)合教材中“析氫腐蝕\"\"吸氧腐蝕\"原理，分析不同環(huán)境(如酸雨、鹽霧)對橋梁鋼材腐蝕速率的影響，通過電化學(xué)傳感器采集實驗數(shù)據(jù)驗證理論模型。例如，在模擬酸雨環(huán)境下，學(xué)生需定量測定 Fe/Zn 電極的電流變化，并利用Matlab擬合腐蝕動力學(xué)方程，評價其對原電池反應(yīng)機理的理解深度。(2)工程實踐評價維度：設(shè)計“低成本防腐蝕涂層\"方案，從材料選擇、施工工藝到成本核算進行系統(tǒng)評估。引入縣域防腐涂料企業(yè)的工程師作為外部評審，依據(jù)行業(yè)標準對方案的可行性與創(chuàng)新性打分。(3)社會價值評價維度：通過GIS地圖分析縣域橋梁分布與腐蝕風(fēng)險等級，撰寫報告闡明方案對交通安全、經(jīng)濟損耗減少的潛在貢獻。例如，結(jié)合本地年均降水量數(shù)據(jù)，計算采用犧牲陽極法后橋梁壽命延長帶來的財政節(jié)約值，評價其社會效益分析的全面性。(4)動態(tài)反饋機制：搭建在線協(xié)作平臺，記錄小組實驗數(shù)據(jù)迭代過程、跨學(xué)科知識整合路徑。最終通過TED演講答辯，由師生、企業(yè)代表、環(huán)保部門共同使用“原理準確性( 30% ）、技術(shù)創(chuàng)新性( 40% ）、社會價值性 30% \"三維評價表進行綜合評分。該案例將教材中單一的電化學(xué)知識轉(zhuǎn)化為解決縣域?qū)嶋H工程問題的能力載體，體現(xiàn)了STEM評價體系對核心素養(yǎng)的立體化考察。

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